DE2340354C2 - Optischer Schnellanalysator - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Schnellanalysator vom Drehküvettentyp.

Bei einem Instrument, welches sowohl als ein Absorptions-Photometer als auch als ein Fluorometer benutzt werden soll, besteht die nächstliegende Anordnung darin, daß man eine Lichtquelle auf der einen Seite der eine Probe enthaltenden Küvette und einen Photodetektor auf der anderen Seite anordnet. Dabei läßt man Licht mit einer speziellen Wellenlänge durch die Küvette laufen und fängt den austretenden bo Strahl auf. Durch geeignete Filter wird das Anregungslicht eliminiert und nur die in der Flüssigkeit erzeugte emittierte Fluoreszenz läuft hindurch. Ähnliche Anordnungen werden in großem Umfang in Schnellanalysatoren benutzt, wie sie beispielsweise in den US-Patenten 47 547 und 35 55 284 beschrieben sind. In der Praxis erhält man jedoch mit einer derartigen Anordnung die gewünschten fluorometrischen Messungen nicht ohne weiteres, weil es schwierig ist, sich merklich gegenüber dem Hintergrundrauschen unterscheidende Signale zu erhalten. Die Elimination des störenden Erregungslichtes kann auch durch eine unter einem Winkel gegenübei der Anregungsemission erfolgenden Feststellung erreicht werden, wobei der Erregungsstrahl um 90° gegenüber dem Photodetektor verschoben isu der >!ie emittierte Fluoreszenz mißt

Ein weiteres Problem tritt bei der Bestimmung der Lösungskonzentration durch Fluoreszenzmessungen dann auf, wenn die Probe eine relativ hohe Absorption besitzt.

Die Probe dämpft den Erregungsstrahl und vermindert somit die emittierte Fluoreszenzstrahlung. Die emittierte Strahlung wird dabei in der gleichen Weise, jedoch in einem geringeren Ausmaße als die mit dem Erregungsstrahl verbundene Strahlung gedämpft.

Es ist also zweckmäßig, einen optischen Aufbau für Fluoreszenzmessungen so vorzusehen, daß die Weglängen des Erregungsstrahls und des emittierten Strahls kurz sind. In einem solchen Aufbau würden die Fehler infolge des Innenfiltereffekts minimiert sein und der effektive Lösungskonzentrationsbereich des Fluorometers würde erweitert werden.

Andererseits erfordern photometrische Messungen eine optische Anordnung mit einer relativ großen Schichtdicke (ungefähr 1 cm) für den einfallenden Lichtstrahl, damit ein effektiver Bereich der Lösungskonztntration gemessen werden kann. Demnach stehen die Anforderungen an die Schichtdicke für photometrische Messungen in Konflikt mit den Anforderungen für fluorometrische Messungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Schnellanalysator vom Drehküvettentyp vorzusehen, bei dem dieses Problem gelöst ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen optischen Schnellanalysator gelingt es, schnelle Lösungskonzentrationsänderungen sowohl in Absorption als auch in Fluoreszenz gleichzeitig zu erfassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fi g. 1 eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines gemäß der Erfindung ausgebildeten dynamischen, mehrere Stationen aufweisenden Fluorometer-Photometers vom Drehküvettentyp;

Fig. 2 eine Draufsicht auf einen Teil des im Fluorometer-Photometer der Fig. 1 verwendeten Rotors, wobei die Form der darin verwendeten Küvetten dargestellt ist;

Fig.3 eine Querschnittsansicht des Rotorteils der F i g. 2, wobei die Wirkung der Lichtstrahlen bei Ausführung der fluorometrischen und photometrischen Messungen der Küvetteninhalte dargestellt ist;

F i g. 4 eine Draufsicht auf eine alternative Küvettenausbildung, bei welcher Einsätze verwendet werden, um die flachen Teile in den Küvetten zu bilden;

Fig. 5 einen Schnitt durch die Rotoranordnung der Fig.4;

Fig. 6 eine Darstellung der relativen Intensität abhängig vom Fluorescein für Küvetten mit Bahnlängen von 0.2 cm und mehr als 0,2 cm;

Fig. 7 eine Darstellung der relativen Intensität und der Absorption abhängig vom Fluorescein, wobei ein

Fluorometer gemäß dem Stand der Technik mit einem erfindungsgemäßen Gerät verglichen wird.

In der Fig. 1 ist eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht eines kombinierten dynamischen, mehrere Stationen aufweisenden gemä 3 der Erfindung ausgebildeten Fluorometer-Photometers dargestellt Die Rotoranordnung weist einen geflanschten Stahlrotorkörper 1, Quarzfenster 2 und 3,'einen sandwichartig zwischen den Quarzfenstern 2 und 3 angeordneten geschlitzten Polytetrafluoräthylen-Küveitenring 4, PoIytetrafluoräthylen-iHaltering 5 und 6 sowie einen mit Stahlbolzen befestigten Flanschring 7 auf. Die Halteringe 5 und 6, die Fenster 2 und 3 und der Küvettenring 4 sind zwischen dem Rotorkörper 1 und dem Flanschring 7 zusammengepreßt, um eine Vielzahl von radial orientierten Kuvetten 8 im geschlitzten Küvettenring 4 zu bilden. Mit Abstand angeordnete Öffnungen 9,10 und

11 sind in entsprechender Weise im Flanschring 7 und in den Halteringen 5 und 6 in axialer Ausrichtung mit den Kuvetten 8 vorgesehen, damit ein Lichtstrahl von einer unterhalb des Rotors angeordneten Photometer- oder Spektrometer-Lichtleiter- und Spiegelanordnung 31 hindurch zu einem oberhalb der Rotoranordnung angeordneten Photodetektor 12 laufen kann. Ein Fluoreszenzanregungslichtleiter ist durch eine unmittelbar oberhalb des Flanschrings 7 in Ausrichtung mit den öffnungen 9 angeordnete Oberflächenfluoreszenzanregungs- und Emissionsdetektorkopfanordnung 14 befestigt. Der Lichtleiter 13 ist bezüglich des Photodetektors

12 mit einem Winkel angeordnet, damit eine unter einem Winkel erfolgende Fluoreszenzemissionsfertstellung erfolgt. Die Kopfanordnung 14 ordnet den Lichtleiter 13 bezüglich eines Emissionsfensters 15 an, welches zum Photodetektor 12 führt. Zwischen der Kopfanordnung 14 und dem Photodetektor 12 ist ein Emissionsfilterhalter oder eine Monochromatoranordnung 16 vorgesehen.

In den Fig. 2 und 3 sind Kuvetten 8 in einer bevorzugten Ausgestaltung dargestellt. Wie man erkennt, weist jede Küvette 8 einen ersten Teil (Abschnitt größerer Schichtdicke) 17 auf, der sich axial durch den Küvettenring 4 erstreckt, wobei ferner ein flacher abgestufter Teil (Abschnitt geringerer Schichtdicke) 18 längs einer Seite der Küvette verlaufend vorgesehen ist. Ein zur Strömungsmittelentfernung dienender Siphon 19 erstreckt sich vom radialen Ende jeder Küvette aus zum Umfang des Küvettenrings 4 hin, wo der Abfluß in einen stationären Sammelbehälter 20 erfolgt, wie dies in F i g. 1 dargestellt ist. Die Fluoreszenzmessungen erfolgen im flachen Teil 18, wo die in der Flüssigkeit liegende Bahnlänge des Anregungsstrahls 21 auf 0,2 cm oder weniger beschränkt ist. Der Anregungsstrahl 21 ist mit einem Winkel <x von ungefähr 30° gegenüber dem Fenster 3 und der Oberfläche 22 des flachen Teils 18 orientiert Dies gestattet die Feststellung des Emissionsstrahls 23 unter einem anderen Winkel als demjenigen Reflexionswinkel, der normalerweise mit auf der Oberfläche 22 einfallender Strahlung verbunden ist. Der Lichtstrahl 24 ermöglicht photometrische Messungen durch den Teil 17 jeder Küvette hindurch, und zwar entsprechend dem US-Patent 35 55 284.

In den Fig.4 und 5 ist eine alternative Küvettenausbildung dargestellt, \»Obei eine undurchsichtige Platte 25 in in den Seiten einer Küvette ausgebildeten Nuten 26 eingesetzt ist, um einen flachen Teil (Abschnitt geringerer Schichtdicke) 27 innerhalb der Küvette zu bilden, der eine für fluorometrische Messungen geeignete Tiefe besitzt Die fluorometrischen Messungen werden in dem flachen Teil 27 durchgeführt während die photometrischen Messungen in dem verbleibenden, durch das Einsetzen der Platte 25 nicht veränderten Teil der Küvette vorgenommen werden. Bereits vorhandene photometrische Analysatoren der Drehküvettenbauart können in einfacher Weise gemäß diesem Ausführungsbeispiel umgebaut werden, indem man Nuten in den Seiten der Kuvetten ausbildet und ίο geeignete Platten einsetzt

Wenn — wie in F i g. 1 gezeigt — nur ein einziger Photodetektor verwendet wird, um sowohl die emittierte Fluoreszenz als auch den von der Photometerquelle übertragenen Strahl festzustellen, können die fluorometrischen und photometrischen Messungen nicht gleichzeitig durchgeführt werden. Das System der F i g. 1 würde jedoch keine erneute Anordnung des Photodetektors erforderlich machen, da die Messungen an der gleichen Radialstellung der Rotoranordnung vorgenommen werden. Ein zweiter, winkelmäßig gegenüber dem ersten versetzter Photodetektor könnte verwendet werden, um sowohl die fluorometrischen als auch die photometrischen Messungen gleichzeitig vorzunehmen. In diesem Falle wurden Fluoreszenzerregungslichtleiter 13, Kopfanordnung 14 und Photodetektor 12 an der in Fi g. 1 gezeigten Stelle verbleiben, während ein zweiter Photodetektor axial mit dem Photometerlichtleiter und der Spiegelanordnung 11 ausgerichtet würde, und zwar an einer Stelle, die winkelmäßig gegenüber dem Photodetektor 12 versetzt ist. Das alternative Ausführungsbeispiel der Fig.4 und 5 erfordert eine radiale Verschiebung des Photodetektors 12 beim Übergang von einer fluorometrischen zu einer photometrischen Betriebsart, wenn nur ein Photodetektor verwendet wird.

Fig.6 zeigt eine Darstellung der relativen Intensität abhängig vom Fluorescein, wobei die Ergebnisse dynamischer Fluoreszenzmessungen dargestellt sind. Die in dieser Figur dargestellten Versuchsergebnisse veranschaulichen die Wirkung der Bahnlänge des Anregungslichtes auf den meßbaren Bereich der Lösungskonzentration.

Die Kuvetten eines dynamischen, mehrere Stationen aufweisenden Photometers wurden entsprechend dem Ausführungsbeispiel der F i g. 4 und 5 abgewandelt und als Fluoreszenzküvetten unter dynamischen Bedingungen verwendet. Ein kollimierter Strahl einer 470 nm Xenon-Anregungsquelle fiel — bei Verwendung einer 0,5 bis 1,0 mm Schlitzbreite — auf die Oberflächen der Kuvetten unter einem Einfallswinkel von 30° ein. Die Fluoreszenzemission lief durch ein 500—600 nm-Filter und wurde unter einem Winkel senkrecht zu den Küvettenoberflächen festgestellt. Die relativen Intensitäten wurden für Lösungen gemessen, welche Fluorescein in Pufferlösungen in Konzentrationen bis zu 100 Mikrogramm/m! enthielten. Die Messungen wurden unter identischen Bedingungen durchgeführt, mit der Ausnahme allerdings, daß zwei verschiedene Bahnlängen für die Oberflächenanregung verwendet wurden. In einem Falle war die Bahnlänge 0,2 cm und im anderen Falle ungefähr 0,5cm. Fig. 6 zeigt deutlich, daß die Verwendung der kürzeren Bahnlänge einen wesentlich größeren Linearbereich für die IConzentrationsbestimm'ing lieferte.

In einem zweiten Versuch wurde ein im Handel verfügbares Spektrofluorometer mit 0,5 cm Bahnlänge mit einem dynamischen, mehrere Stationen aufweisenden Photometer verglichen, welches entsDrechend den

Fig.4 und 5 abgewandelt war, um eine Bahnlänge von 0,2 cm zu liefern. Die erhaltenen Ergebnisse sind in F i g. 7 dargestellt, wobei sich ein Vergleich der relativen Intensitäten der Emissionswerte ergibt, die mit ansteigender Fluoesceinkonzentration erhalten werden. Es sei bemerkt, daß bei dem Instrument mit 0,5 cm Bahnlänge die Intensität tatsächlich unter eine Fluoresceinkonzentration von ungefähr 80 Mikrogramm pro Milliliter absank, was eine Lösungskonzentrationsanalyse oberhalb dieses Wertes sinnlos macht. Die Kurve für das abgewandelte 0,2 cm Bahnlängen-Instrument zeigt jedoch an, daß eine Messung über einen stark erweiterten Konzentrationsbereich hinweg möglich ist. In dem US-Patent 35 14 613 sind elektronische Bauteile beschrieben, welche die Photodetektoraus-

gangsgröße weiter verarbeiten und eine Anzeige der Ergebnisse für die entsprechenden Küvetten unter dynamischen Verhältnissen gestatten. Diese Bauteile werden hier nicht beschrieben, da die vorliegende Erfindung sich auf die mechanische Ausbildung der Küvetten und der zugehörigen Lichtquelle und der Anordnung des Photodetektors bezieht.

Vorstehend wurden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung zum Zwecke der Erläuterung beschrieben, wobei aber die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Beispielsweise kann mehr als ein Photodetektor verwendet werden, so daß photometrische und fluorometrisch^ Messungen gleichzeitig ausgeführt werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optischer Schnellanalysator vom Drehküvettentyp, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Küvetten (8) einen Abschnitt (18) geringerer Schichtdicke aufweisen, der auf der einen Seite durch ein durchsichtiges Fenster (3) und auf der entgegengesetzten Seite durch eine parallel zu dem durchsichtigen Fenster (3) verlaufende undurchsichtige Wand (22; 25) begrenzt ist daß die einzelnen Küvetten (8) ferner einen Abschnitt (17) größerer Schichtdicke aufweisen, der an zwei Seiten durch parallel verlaufende durchsichtige Fenster (2, 3) begrenzt ist, daß Mittel zur Feststellung der von der Probenlösung im Abschnitt (18) geringerer Schichtdicke emittierten Fluoreszenz vorhanden sind, daß Mittel einen Lichtstrahl durch den Abschnitt mit größerer Schichtdicke richte.i, und daß schließlich Detektormittel für die Feststellung des durch den Abschnitt mit größerer Schichtdicke übertragenen Lichtes vorhanden sind.

2. Schnellanalysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt (18) geringerer Schichtdicke eine Tiefe von nicht mehr als 0,2 cm besitzt.

3. Schnellanalysator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für eine kombinierte fluorometrische und photometrische Messung der Abschnitt (18) mit geringer Schichtdicke nicht tiefer als 0,2 cm ist, während der Abschnitt (17) mit der größeren Schichtdicke eine Tiefe von ungefähr 1 cm besitzt.

4. Schnellanalysator nach einem der Ansprüche 1 —3, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Feststellung der Fluoreszenz dienende Photodetektor in der Lage ist, unter einem Winkel von 60° gegenüber einem Anregungslichtstrahl emittierte Fluoreszenz festzustellen.

5. Schnellanalysator nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor die in einer Richtung senkrecht zu den durchsichtigen Fenstern (2, 3) und zur undurchsichtigen Wand ausgesandte Fluoreszenz feststellt.

6. Schnellanalysator nach Anspruch 1 —5, dadurch gekennzeichnet, daß die undurchsichtige Wand eine in einer Nut (26) angeordnete Platte (25) aufweist.